专利名称：无源全光纤可调光分路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无源全光纤可调光分路器，适用于光纤通信系统和网络。
背景技术：
光分路器是光传输系统中应用非常广泛的光学部件之一。光分路器有时也称为光分束器、光功率分配器，是将输入光纤端口的光按一定比例分成多部分分别从多个输出光纤端口输出的一种常用器件。光分路器作为一种光信号的分路器件广泛地应用于光通信系统和网络中，如光广播、组播，保护，光信号监测等。常规的光分路器通常采用光纤熔融拉锥(Fused Biconical Taper-FBT)技术实现，形成的分路器在各输出端口的功率分配比例是固定，不可调节的，当需要不同的分配比时只有更换分路器。
目前与光分路器相对应的可调光分路器，虽然也有一些应用技术见诸报道，但总的来说对其研究较少。现有的可调光分路器大都是利用一些特有的光学效应实现分配比例的调节，如电光、声光、磁光和热光效应等。这些设计由于所基于的原理不同，性能各有差别，但它们的一个共同特点是可以动态配置，如agiltron公司的产品1×2 solid-state Variable Fiber Optic Splitter(1×2固态可变光纤光分路器)可用电平直接调节，它采用的是agiltron公司的专利技术all-solid-state crystal(全固态晶体)设计。然而由于它们要利用这些光学效应而不得不引入额外的光学部件，同时由于其技术本身难度较大，所以这些技术的成本难以降低。从技术市场的角度考虑，在广泛应用光分路器的无源光网络(PON)和有线电视网(CATV)等领域，可调光分路器的成本和价格是决定该器件能否被大量采用的关键因素，同时，确保器件无源实现对于简化这些网络的维护和管理，降低网络成本具有重要的意义。所以研究开发一种价格低廉、性能优越，但不要求动态配置的无源可调光分路器正是顺应了当前技术和市场的需求。
对已有的可调光分路器的实现方法研究显示，现有的实现技术大部分都是基于热光、电光、声光或光的偏振处理原理设计的。中国专利0215003.7介绍的可调分束器使用热光效应调节光纤布喇格光栅滤波器的结构实现光反射透射比例的调节。在集成光电子中采用的Mach-Zehnder干涉法也是实现可调光分路器的常用方法之一，如欧洲专利局检索数据库(ep.espacenet.com)上的专利CA2258353 Optical Variable-ratio Power Splitter(可变比例光功率分路器)，它需要通过电极改变干涉臂的光程来实现干涉时光波相位差的改变。这些器件由于其设计原理限制，所以结构复杂，技术难度大，成本高。而且如果应用热光、电光和声光这些调节方法，不可避免采用有源方式，无法无源实现，这很不利于PON等网络的实施。武汉光迅科技有限责任公司2003年10月发布了一个可调光功率分配器，它采用了偏振光处理方法。这种方法同样需要引入额外光器件，成本也很难降低。另外，由于这些额外的光学部件，如偏振处理部件，平面波导等，不可避免会带来额外的插入损耗，色散和偏振相关性。
因此需要研制一种简单的无源可调光分路器，使之具有广泛的适应性。
对现有技术的调查研究告诉我们，如果能够通过调节传统的FBT分路器来实现光分配比例的改变无疑是一个成本低、性能优越的技术。九十年代初C.D.Hussey研究小组研究了FBT耦合器耦合区的弯曲和扭转的波长平坦效应(T.A.Birks，C.D.Hussey，Electronics Letters，1989，25，pp.407-408；N.M.O’Sullivan，T.A.Birks，C.D.Hussey，Electronics Letters，1992，28，pp.1485-1486)。这些研究表明调节FBT耦合区的形变可以大范围改变FBT的光功率分配比。
1992年上海科学技术大学利用扭转FBT分路器的方法研究了一种可调光纤分束技术。已有的实验显示，当FBT分路器扭转时改变某一波长光的分配比的同时，也改变了最大分支率所在的波长。也就是说，扭转对不同波长光的分配比的改变会不同，这将导致不同波长的分配比例差别很大，而且难以控制，这显然不适用于PON和CATV等网络应用，网络中光功率的预算对不同波长而言通常应该是相同。相反，如果采用在光纤平面内弯曲FBT分路器的方法，就不存在这个问题，弯曲光纤时各波长的分配比变化比例基本是一致的，而且最大分支率所在的波长也只有微小的变化。另一方面，扭转光纤非常容易造成光纤的断裂，不易制成实用的器件，因为光纤能承受的扭曲转力比其能承受的弯曲而产生的压缩应力小得多。从实用的角度来看，弯曲相较扭转也容易控制。
经过这些调研显示，基于FBT可调光分路器的研究虽然也有报道，但就实用化而言，还需要进行大量的工作，迄今为止尚没有基于这一原理的无源可调光分路器的实用器件被报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新型无源全光纤可调光分路器，它实现简单，技术可靠，成本低廉，适用于光纤通信系统和网络。
为实现这样的目的，本发明设计的无源全光纤可调光分路器，基于光纤熔融拉锥(FBT)技术，通过调节传统固定分配比的熔融拉锥光纤在光纤平面内的弯曲曲率，实现光功率在各输出端口的分配比例的调节。光纤的弹光效应理论指出当光纤弯曲时在光纤中存在的应力会引起光纤的折射率改变，从而导致光在耦合区两光纤内的传播常数差异，所以改变弯曲曲率可使得光分配比改变。
本发明的无源全光纤可调光分路器包括一熔融拉锥光纤和一个调节光纤弯曲曲率的精密调节装置。精密调节装置使得熔融拉锥光纤的拉锥耦合区可以在光纤平面内弯曲，可以改变熔融拉锥光纤的弯曲曲率，并保持这一弯曲的状态直到下一次调节。
熔融拉锥光纤固定镶嵌在调节装置的弹性片上，其耦合区处于弹性片的中央附近。弹性片的两端分别嵌入外壳两端的固定槽和滑动槽中。固定槽与弹性片一端紧配，弹性片在槽内不能滑动。滑动槽与弹性片另一端松配，在槽内的弹性片端可在槽中自由滑动。在外壳两端各开有一孔为光纤引出孔。在弹性片中央的垂直方向装有细纹螺杆压在弹性片上，细纹螺杆穿过外壳上端的一个孔固定在外壳上。在与螺杆相对的方向，即弹性片的另一面设置有一弹簧顶在弹性片上，弹簧的另一端与外壳底部相连。可以在外部通过手动调节或电驱动方式旋转细纹螺杆，改变弹性片的弯曲状态，进而改变熔融拉锥光纤拉锥耦合区的弯曲曲率，实现光功率在各输出端口的分配比例的调节。
熔融拉锥光纤由多根光纤拉制而成，光纤数大于等于二。各光纤紧靠由熔融拉锥工艺拉伸形成耦合区域，形成后无形变的熔融拉锥光纤在各输出端口具有一确定的光功率分配比。熔融拉锥光纤的拉锥耦合区在光纤平面内弯曲时，会改变各输出端口的光功率分配比。光纤平面是指拉锥耦合区多光纤形成的平面。
本发明的可调光分路器，光路部分仅由熔融拉锥光纤构成，不引入其它分立和集成光学器件。光功率分配比的调节不采用电光、声光、热光、磁光等效应，不需要偏振态的处理过程，而是调节光纤的弯曲曲率，可以完全无源实现。弯曲光纤对各波长分配比的调节比例基本相同，有利于在实际网络中的实施。沿承传统的固定光分路器的熔融拉锥工艺和特征，可以利用目前比较成熟的光纤熔融拉锥技术。因此器件具有熔融拉锥光分路器的优良特性，如偏振相关性小，应用频带宽，且容易实现器件的宽带平坦等。同时，由于调节分配比所需弯曲的曲率很小，不会引起弯曲损耗，所以插入损耗也很小。本发明的可调光分路器不需要额外光学部件，是全光纤器件，结构简单，体积小，成本低，容易实现，有很高的调节精度。
本发明可调光分路器最典型的应用是在各种光传输网络中作分路器件，比如，在光纤CATV网络中需要大量的分光比例不同的光分路器。如果有一种分光比设置简单而又低成本的可调分光器，将会给网络的建设带来极大的方便。可调光分路器在光网络中的其它应用包括可以直接用作可调光衰减器，因为可调光分路器的任一输出端的光功率是可调的，即输出端对输人端的插入损耗(衰减)是可调的。再如，可调光分路器可作为光开光使用。使可调分路器输出端口的光功率只有0和最大值两个状态，则该可调光分路器具有了光开关的功能。这一器件的应用对于实现PON和CATV等光通信网络的灵活性和易扩展性具有重要意义。
图1是本发明可调光分路器结构示意图。
图1中，1为熔融拉锥光纤，2为弹性片，3为外壳，5为固定槽，6为滑动槽，7、8为光纤引出孔，9为细纹螺杆，10为弹簧。
图2是镶嵌了熔融拉锥光纤的弹性片截面示意图。
图2中，1为熔融拉锥光纤，2为弹性片。
图3是熔融拉锥光纤耦合区示意图。
图4是熔融拉锥光纤弯曲示意图。
图4中，L是弯曲光纤长度，θ是弯曲的角度。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
图1所示是本发明的一个1×2无源可调光分路器实施例结构示意图。如图1所示，熔融拉锥光纤1固定镶嵌在弹性片2上，其耦合区处于弹性片2的中央附近。弹性片2的两端分别嵌入外壳3两端的两个槽中，其中固定槽5与弹性片2一端紧配，弹性片在槽内不能滑动，滑动槽6与弹性片2另一端松配，在槽内的弹性片端可在槽中自由滑动。外壳两端各有一个光纤引出孔7和8。在弹性片2中央的垂直方向有细纹螺杆9压在弹性片2上，细纹螺杆9穿过外壳3上端的孔固定在外壳3上。在与细纹螺杆9相对的方向，即弹性片2的另一面设置有一弹簧10顶在弹性片2上，弹簧10的另一端与外壳3底部相连。
图2为镶嵌了熔融拉锥光纤1的弹性片2的截面示意图。如图2所示，熔融拉锥光纤1固定镶嵌在弹性片2上，熔融拉锥光纤1放置在弹性片2的槽中后可以采用硅胶等有弹性的胶固定。安装时两光纤形成的平面应尽量垂直于弹性片平面，这样可以确保光纤平面与弯曲平面重合。为保持光纤平面垂直弹性片表面，槽的宽度加工成仅稍大于光纤宽度。弹性片2的弹性确保调节弹性片弯曲曲率时处于弹性形变状态，材料可采用金属弹簧片或弹性好的塑料片。
弹性片2在细纹螺杆9和弹簧10的共同作用下可双向弯曲并可确保形变调节的重复性，细纹螺杆9和弹簧10共同决定弹性片2一个唯一的位置。在外部通过手动调节或电驱动方式旋转细纹螺杆9，细纹螺杆9伸长和缩短引起弹性片2弯曲状态变化，如图1细纹螺杆9从虚线伸长到实线位置，相应弹性片2从虚线位置运动到实线位置。由于弹性片2弯曲状态变化，它在活动槽6的一端也会相应滑动。弹性片2弯曲引起镶嵌在其中的熔融拉锥光纤1弯曲曲率改变，从而改变了熔融拉锥光纤1的光功率分配比例。
一个简单的计算可以显示本发明这个装置的调节精度。假设弹性片2长度为50mm，耦合区长度10mm，如果弯曲角度为6°(对光分配比例调节来说，6°是一个较大的值)，细纹螺杆9需伸长约3mm，一个微调螺杆可精确到0.01mm，在这一分配比调节范围内可以精确调节到300个值，调节精度完全可以满足网络实施需要。
本发明可调光分路器入口数决定于所采用的熔融拉锥光纤1的入口数，本实施例仅以1×2为例即一个入端口两个出端口。图3是两光纤形成的熔融拉锥光纤的耦合区示意图，其工作区由三部分组成腰部耦合区、入端锥体和出端锥体。熔融拉锥工艺将两根除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢，在火焰或加热器高温下相互熔融，同时向两侧拉伸，最终在在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现光功率耦合。在本发明中为了提高光纤的耦合区对弯曲形变的敏感度，制作熔融拉锥光纤时要尽量使各光纤平行靠近。光由熔融拉锥光纤的入端锥体的入口进入耦合区，通过耦合区光功率以一定的分配比通过出端锥体从各输出端口输出。
下面从弯曲改变光纤最大分配比的角度来分析调节原理。弯曲对分配比例的影响主要是由于弯曲引起的两光纤折射率差引起的。如图4由于熔融拉锥光纤的弯曲，导致耦合区的两根光纤一根被压缩，另一根被拉伸，它们的折射率发生相应变化，假设引起两光纤中的传播常数差为Δβ，根据非对称波导耦合理论最大分配比例(Maximum Splitting Ratio，MSR)可表示为MSR=11+(Δβ2K)2,]]>其中K是两耦合光纤的耦合系数。根据光纤理论Δβ正比于光纤曲率，即Δβ＝αε，α是比例系数它由光纤的自身特性决定，ε＝θ/L是弯曲光纤的曲率，L是弯曲光纤长度，θ是弯曲的角度。通过改变θ的大小就可达到改变MSR的目的。
利用本发明可以低成本无源地实现可调光分路器，显然它也可以用于实现可调衰减器和光开关。
权利要求
1.一种无源全光纤可调光分路器，其特征在于包括熔融拉锥光纤(1)和调节光纤弯曲曲率的调节装置，熔融拉锥光纤(1)固定镶嵌在调节装置的弹性片(2)上，熔融拉锥光纤耦合区处于弹性片(2)的中央，弹性片(2)的两端分别嵌入外壳(3)两端的固定槽(5)和滑动槽(6)中，外壳两端各有一个光纤引出孔(7、8)，在弹性片(2)中央的垂直方向有细纹螺杆(9)压在弹性片(2)上，细纹螺杆(9)穿过外壳(3)上端的孔固定在外壳(3)上，在弹性片(2)的另一面设置弹簧(10)与细纹螺杆(9)方向相对顶在弹性片(2)上，弹簧(10)的另一端与外壳(3)底部相连，通过细纹螺杆(9)改变弹性片的弯曲状态，进而改变熔融拉锥光纤拉锥耦合区的弯曲曲率，实现光功率在各输出端口的分配比例的调节。
2.如权利1的无源全光纤可调光分路器，其特征在于所述熔融拉锥光纤(1)由多根光纤拉制而成，光纤数大于等于二，无形变的熔融拉锥光纤(1)在各输出端口具有确定的光功率分配比。
全文摘要
本发明涉及一种无源全光纤可调光分路器，包括一熔融拉锥光纤和一个调节光纤弯曲曲率的精密调节装置。熔融拉锥光纤固定镶嵌在调节装置的弹性片上，弹性片两端分别嵌入外壳两端的固定槽和滑动槽中，细纹螺杆垂直压在弹性片的中部，相对应的在弹性片另一面设置弹簧顶在弹性片上，通过细纹螺杆调节弹性片的弯曲状态，进而改变熔融拉锥光纤拉锥耦合区的弯曲曲率，实现光功率在各输出端口的分配比例的调节。本发明结构简单，体积小，成本低，容易实现，有很高的调节精度，可应用在各种光传输网络中作分路器件、可调光衰减器或光开光。
文档编号H04B10/12GK1595214SQ200410025680
公开日2005年3月16日 申请日期2004年7月1日 优先权日2004年7月1日
发明者胡佩钢, 胡卫生, 肖石林, 何浩 申请人:上海交通大学